POLITECNICO DI BARI

Dipartimento DICATECh SEDE DI TARANTO

Corso di Laurea in Ingegneria Civile Insegnamento di “Costruzioni Idrauliche”

A.A. 2013-2014

Docente: Ing. Stefania ARBOREA

Lezione 05: Dimensionamento scarichi e sfiati Tubazioni

CONTENUTI DELLA LEZIONE

- Dimensionamento sfiati e scarichi - Tubazioni

APPARECCHIATURE SPECIALI DELLE

CONDOTTE IN PRESSIONE

•

• SCARICHI

SFIATI

Doppio funzionamento: - In fase di riempimento o vuotatura: funzione di evacuazione/ingresso dell’aria

in condotta; - In esercizio: smaltimento dell’aria liberata naturalmente dal moto di

avanzamento delle acque in condotta

SFIATI

Cause della presenza d’aria in condotta: •emulsione con l’acqua •per aspirazione della vasca di presa o dalla stazione di pompaggio;

•per aspirazione in corrispondenza sifoni in depressione.

di giunti o pezzi speciali,

Effetti indesiderati: •riduzione della sezione di deflusso •fenomeni di colpo d’ariete dovuti d’aria e al suo spostamento; •disinnesco di pompe o sifoni

all’espansione della bolla

4

Profilo a denti di sega

Funzionamento

Affinché evitare

l’espulsione dell’aria avvenga rapidamente, è opportuno

tratti di tubazione orizzontali, perciò in presenza di terreni

pianeggianti, si assegna al profilo longitudinali della tubazione un

andamento a denti di sega, con tratti ascendenti nel senso del moto

aventi una pendenza minima dello 0,2-0,3%, a tratti discendenti con

pendenza del 2-3% ; nei vertici più elevati del profilo si dispongono gli

sfiati e in quelli più bassi gli scarichi.

i=0.2- 0.3%

Il funzionamento del dispositivo è legato all'equilibrio di tre forze : 1. 2.

la forza peso G del galleggiante verticale ed orientata verso il basso; la spinta sul galleggiante, correlata alla pressione p agente entro la cassa, con risultante, nella direzione verticale, orientata verso l'alto, di intensità pari a p A, con A area della luce del foro di uscita dell'aria dalla cassa; la spinta di galleggiamento, in quanto corpo parzialmente immerso in acqua, 3. con risultante nella direzione verticale, orientata verso l'alto, di intensità pari a γ V ,con γ, peso specifico dell'acqua e V volume immerso.

Nella condizione di sfiato chiuso si ha:

p A + γ V > G Al progressivo accumulo di aria nella cassa corrisponde progressivo abbassamento del livello idrico nella stessa e correlata riduzione del valore del volume immerso V. Raggiunta la condizione:

pA + γV = G si è in incipiente apertura

dello sfiato.

SFIATI: funzionamento

La sezione di imbocco del boccaglio deve essere abbastanza contenuta: d’esercizio.

tanto più piccola quanto maggiore è la pressione

Supponendo infatti che il galleggiante sia completamente immerso in aria, affinché esso possa staccarsi, il prodotto della pressione

interna per l’area della sezione deve essere inferiore al suo peso.

A tale risultato si perviene facilmente considerando che su tutta la superficie della sfera (immersa in aria) agisce la stessa pressione che si realizza nella condotta: con eccezione dell’area della sezione d’imbocco del boccaglio ove vige la pressione atmosferica.

SFIATI: funzionamento

Ingresso ed uscita d’aria da sfiati

La necessità di installare valvole che

permettano

condotte

riduzione

l’ingresso di aria nelle

deriva da esigenze di

od

che

in

eliminazione delle

depressioni si verrebbero altrimenti

a creare seguito a manovre,

controllate od accidentali, di

svuotamento del circuito o a seguito di

brusche riduzioni di pressione

conseguenti a condizioni transitorie.

Il loro dimensionamento è funzione del tipo di protezione richiesta, un’ipotesi

cautelativa porta a dimensionare la

sezione d’ingresso dell’aria in modo da

garantire una portata portata massima di

entrante pari alla svuotamento del

sistema in seguito ad una rottura

accidentale di una condotta.

SFIATI: funzionamento

Degasaggio continuo: d D / 63

fuoriuscite d’aria e non porta Il degasaggio continuo richiede problemi di sovrapressioni

piccole a grossi

Grandi fuoriuscite d’aria: d / D V / 195

ove V è la velocità di riempimento della condotta (0.4 m/s)

Nella fase di riempimento, quando la colonna d’acqua spinge sulla grossa

sacca d’aria in uscita dallo sfiato, si hanno transitori con sovrapressioni

elevate. Bisogna dunque verificare le condizioni di evacuazione…………

SFIATI: dimensionamento

……..verifica isoterme.

teorica attraverso la legge di evacuazione in condizioni

La pressione massima assoluta di evacuazione dell’aria dalla condotta pressione critica (Meunier, 1980):

è pari alla

pc patm / 0.527 l’evacuazione ad essa corrispondente avviene in condizioni soniche e la portata volumetrica d’aria evacuata è pari a (w sezione dell’orifizio in m2).

195 Qaria

Quando la pressione in condotta pa è inferiore alla critica, la portata d’aria effluita è pari a :

1.42 1.71 p p

Q 750 atm

atm

aria p p a a

Oltre una determinata pressione, dunque, la portata dell’aeriforme in uscita dalla tubazione si mantiene costante, a prescindere da diametro e lunghezza del tubo d’efflusso.

SFIATI: dimensionamento

1 w area orifizio [m2]

13

E’ pratica normale specificare uno sfiato con il suo diametro senza considerare

che la sua capacità di immissione e scarico d’aria dipendono dal disegno e

dalla configurazione interna, dalla dimensione del foro maggiore, dal peso e

dimensione del galleggiante, dalla differenza di pressione ammessa attraverso

il foro maggiore ecc. Nella scelta degli sfiati è necessario tenere conto dei seguenti dati:

sezione di passaggio: che deve essere la più larga possibile per garantire il

maggior rientro d’aria in caso di rottura delle condotte; portata di ingresso: da ricercare nelle curve fornite dal produttore dello sfiato

ad un Δp max sul foro non maggiore di 0.1 bar perché, normalmente, il sistema

condotta guarnizioni ed apparecchiature in genere mal

sopportano depressioni superiori; portata in uscita: che deve essere limitata ad un Δp sul foro maggiore di circa

0.05 bar, indicativamente con una velocità di riempimento di 0.4 m/s. Questo

perché una velocità maggiore può generare in caso di chiusura dei colpi d’ariete

distruttivi per l’intero sistema; analisi dettagliate delle informazioni fornite dal costruttore;

In alcuni casi è auspicabile che gli sfiati presi in considerazione dispongano di

automatismi che limitino il colpo d’ariete causato dal riunirsi della vena fluida e/o

riempimenti rapidi.

Scelta degli SFIATI

Tabella deflusso aria - Sfiato a doppio galleggiante

Le pressioni sono espresse in metri di colonna d’acqua

Scelta degli SFIATI

Installazione degli sfiati

Prima dell’installazione procedere ad un’accurata pulizia delle condotte per

evitare che corpi estranei quali sassi, o materiale di cantiere, possano

danneggiare lo sfiato. Gli sfiati devono essere montati all’interno di un pozzetto sufficientemente ampio

e facilmente accessibile

controllo,

verticale e

per effettuare le operazioni di manutenzione e

permettere il devono inoltre essere collocati in posizione

rigorosamente su di una tubazione di derivazione, provvisto di

saracinesca di intercettazione, che deve avere uno stacco di diametro pari

almeno alla metà del tubo principale.

Il pozzetto deve essere munito di uno scarico per

di almeno un tubo di ventilazione per ammettere

cameretta (uno di scarico e uno di rientro). Lo sfiato non si deve posizionare direttamente

eventuali pulizie dello sfiato e o scaricare aria ed areare la

sulla condotta principale per

evitare che l’aria, in caso di rientro per depressione, possa propagarsi nella

tubazione senza un punto di aggregazione e possa essere spinta verso valle,

dal ripartire della pompa con i relativi problemi discussi in precedenza sugli

effetti dell’aria.

Per garantire la massima efficienza

bisognerebbe posizionare lo sfiato il più alto possibile sulla

condotta collocando

fra questa e

l’apparecchio, un

tronchetto flangiato o

filettato, che

permetta l’accumulo

e l’aggregazione dell’aria.

TIPOLOGIE SFIATI

Vari tipi di sfiati

Dopo aver individuato le caratteristiche dimensionali e di installazione degli sfiati si procede con una classificazione dei tipi di sfiato più comuni con le

relative considerazioni di carattere esecutivo.

SFIATI DI LINEA

In presenza di profili molto piatti, sono posti ad interassi di 100 metri, indipendentemente dalla presenza di punti di massimo relativo

Profilo a denti di sega

TIPOLOGIE SFIATI

SFIATI DI TIPO LIBERO

In caso di valico, quando la quota piezometrica è poco superiore alla quota del terreno (8-10 m)

È realizzato inserendo nella condotta un pezzo speciale a T flangiato, ortogonalmente alla condotta, diametro inferiore a quello della condotta, con altezza superiore alla quota piezometrica. È collegato allo scarico da una canna discendente

Gli sfiati liberi sono costituiti da un tubo verticale di piccolo diametro (tubo

piezometrico), collegato al suo estremo inferiore alla condotta in pressione

e con l’estremo superiore libero, in modo da consentire la fuoriuscita

dell’aria. Poiché il livello d’acqua nel piezometro sale fino a raggiungere la quota

piezometrica in condotta, il suddetto tipo di sfiato può essere impiegato solo

nel caso (molto raro) che la linea piezometrica sia elevata solo di pochi

metri sul piano di campagna, in quanto la superficie libera dell’acqua dentro il piezometro deve essere protetta da fenomeni di inquinamento, per cui lo

sfiato deve essere contenuto entro un apposito locale in muratura

accessibile dall’esterno, tipo quello visto in precedenza; questo tipo di sfiato

viene installato anche per altri scopi ad esempio nel caso che assolva alla

funzione di vera e propria colonna piezometrica, di torrino piezometrico per

fissare il carico, di partitore a pelo libero ecc.

SFIATI DI TIPO LIBERO

Sfiati liberi a sifone

Un altro tipo di sfiato libero è quello a sifone, ideato da Conti, che può essere

adoperato per quote piezometriche in condotta fino a 15-20 m più elevate

rispetto al piano di campagna e presenta il vantaggio di poter essere

interamente contenuto in un pozzetto interrato.

E’ costituito da alcuni tronchi verticali di tubo di piccolo diametro, della

lunghezza di 1,00 -1,50 m, collegati fra loro alle estremità superiori e inferiori

mediante curve a 180°, così da costituire una serie di sifoni; il primo tronco è collegato alla condotta in pressione, mentre l’estremità

superiore dell’ultimo tronco è a contatto con l’atmosfera.

TIPOLOGIE SFIATI

SFIATI IN PRESSIONE

In caso di quota piezometrica superiore di 10 m la quota del terreno Funzionamento automatico(tramite saracinesca di intercettazione) Dispositivo collegato alla condotta con pezzo speciale a T flangiato, ortogonale alla condotta e di diametro inferiore

Costituiti da una cassa metallica a cui interno è alloggiato un galleggiante sferico (acciaio rivestito)

Sfiati automatici o in pressione

Gli sfiati automatici o in pressione sono costituiti da un galleggiante sferico

contenuto in una cassa metallica che, a seconda della posizione di

equilibrio, apre o chiude una piccola luce di comunicazione con l’esterno, o

direttamente comandando una valvola a spillo. La cassa contenitrice è collegata alla condotta in pressione mediante una

saracinesca di intercettazione per consentire lo smontaggio dell’apparecchio

in caso di necessità.

Sfiato con galleggiante sferico Sfiato con galleggiante cilindrico 23

Sfiato con apertura a galleggiante sferico

Sfiato con apertura a galleggiante cilindrico

24

Sono stati ideati da Conti degli apparecchi di sfiato che assolvono entrambe le

funzioni suddette; essi sono costituiti da uno sfiato con grande luce, del tipo

descritto in precedenza, che permette l’ingresso e l’uscita di grandi masse d’aria,

mentre la luce piccola costituita da un capillare, viene regolata manualmente

mediante un’opportuna spina comandata da un volantino e resta sempre aperta,

per cui, quando non spurga l’aria, lascia passare dei volumi d’acqua di entità del

tutto trascurabile.

Apparecchio per l’evacuazione di grandi e di piccole d’aria

dotato di un solo galleggiante 25

Sfiati a doppio galleggiante

Gli sfiati a doppio galleggiante sono costituiti da un galleggiante collegato ad

una luce di grosse dimensioni, che serve per l’evacuazione e l’ingresso di

grandi quantità d’aria e che, qualsiasi posizione assuma, lascia sempre

aperta la luce che è collegata ad un secondo sfiato, che serve invece per

eliminare piccole quantità d’aria. I galleggianti degli sfiati sono di legno rivestito con gomma o ebanite, di

acciaio inossidabile; le casse con tenitrici sono per lo più acciaio, mentre la

valvola di sfiato e i dispositivi di regolazione sono in genere di bronzo o di

ottone, metalli che d’acqua.

non si alterano nel tempo in presenza di aria e vapor

26

SFIATO A DOPPIA LUCE

Lo sfiato a tre funzioni consente, oltre all’allontanamento dell’aria in fase di riempimento della condotta e in fase d’esercizio, anche l’ingresso d’aria durante il suo

vuotamento. Si tratta in pratica di due sfiati accoppiati, uno in grado di evacuare grandi

portate d’aria, funzionante in caso di vuotamento e di riempimento della condotta, e uno

funzionante come uno sfiato automatico descritto in precedenza

SFIATO A TRE FUNZIONI

29

Tipo MAX

Il tipo Max dello sfiato a tre funzioni è

costituito all’interno da una valvola di

sezionamento incorporata che ne permette

la manutenzione o il controllo con la

condotta in esercizio.

Il sezionamento

il corpo e quindi

nel cappello. La

si ottiene ruotando

l’otturatore ricavato

rotazione, tramite

l’asta filettata agganciata alla

flangia fissa, si trasforma in

rototraslazione verso il basso

dell’otturatore, che scende fino ad

appoggiarsi sulla sede della

guarnizione di tenuta chiudendo

perfettamente. Per la rimessa in

funzione si ruoterà il corpo in senso

opposto.

Sfiato tipo Cotrone

Lo sfiato tipo Cotrone è uno sfiato automatico a

galleggiante semplice utilizzato per liberare l’aria

accumulatasi nella tubazione durante il normale

funzionamento; rispetto agli altri sfiati questo tipo di

sfiato svolge l’unica continuo.

funzione di degasaggio

Tipo Golia Questo tipo di sfiato a tre funzioni viene

utilizzato principalmente per proteggere le

condotte dalla corrosione, in particolare

utilizzato per le tubazioni del DN 600 al 900, e dal 900 al 1400.

30

Sfiato automatico combinato tipo Eolo

Lo sfiato automatico tipo Eolo grazie al suo boccaglio combinato assolve alle

tre funzioni di rientro e uscita di grandi quantità d’aria nelle fasi di svuotamento

e riempimento delle condotte, e di degasaggio durante l’esercizio. Per le sue

caratteristiche tecniche, si pone ai massimi livelli di qualità.

31

In fase di avvio o ripristino funzionalità dell’adduttore: funzione di lavaggio In fase di esercizio (interruzione del flusso): vuotature delle condotte

SCARICHI

Sono realizzati con un pezzo speciale a T con derivazione tangenziale a flangia, su cui è installata la saracinesca di intercettazione

Elementi di progetto: - Dimensionamento saracinesca - Diametro della derivazione (adeguato ad assicurare delle velocità nei

rami convergenti tali da rimuovere eventuali depositi e senza generare instabilità nelle condotte)

Il dispositivo viene installato in apposito pozzetto in muratura, con soletta di copertura forata in corrispondenza della botola di ingresso protetta da chiusino

Lo scarico va posizionato nei punti più bassi (di cuspide) della condotta.

Il dimensionamento è dato efflusso sotto battente:

dalla legge di

2 d Q 2gH 4

ove rappresenta il coefficiente di efflusso, 0.6, e d il

diametro della sezione d’uscita. Il carico H rappresenta

l’idrostatica massima che grava sulla luce d’efflusso.La

portata dev’essere tale da non recare danno al corpo

ricettore.

SCARICHI: dimensionamento

SCARICHI: verifica tempo evacuazione

TUBAZIONI

Classificazione delle tubazioni per acquedotto

TUBAZIONI

Le Tubazioni sono collegate tra loro

da Giunti e Pezzi Speciali

Le Tubazioni si contraddistinguono tra loro

•MATERIALE

•SPESSORE

•DIAMETRO INTERNO E NOMINALE

•PRESSIONE NOMINALE

•TIPO DI GIUNZIONE

•LUNGHEZZA

per:

TUBAZIONI: DEFINIZIONI

TUBAZIONI: SPESSORE

TUBAZIONI: SPESSORE

RICHIAMI DI IDROSTATICA: formula di Mariotte

2

Dove:

D= diametro del tubo

p= pressione che il liquido esercita sul cilindro

σ=Carico di sicurezza a trazione che corrisponde al materiale del tubo

e pD

Formula largamente

impiegata nella pratica come

base per il calcolo dello

spessore dei tubi

SIMBOLOGIA

TUBAZIONI: PEZZI SPECIALI

SEZIONE DI UNA TUBAZIONE DI SPESSORE S

tubazioni in GHISA SFEROIDALE

60 mm < D > 700 mm

L = 6 m

GIUNZIONE A FLANGIA

+ usate per l’inserimento di pezzi

speciali

GIUNZIONE A BICCHIERE

GIUNTO A CORDONE E BICCHIERE

40 mm < D > 3000 mm

tubazioni in ACCIAIO L = 12 m MAX

Superata tale lunghezza si ricorre al TRASPORTO SPECIALE

tubazioni in LAPIDEE

IN C.A.

IN C.A. PRECOMPRESSO

400 mm < D > 1000 mm

400 mm < D > 3000 mm

CEMENTO ARMATO: - Calcestruzzo di cemento molto compatto e impermeabile - Doppia armatura:

- Trasversale (formata da 1 o 2 spirali di tondino di ferro; serve ad assorbire gli sforzi di trazione dovuti alla pressione interna dell’acqua)

- Longitudinale (formata da tondini disposti lungo le generatrici o di ferro; ha lo scopo di conferire al tubo una resistenza alla flessione longitudinale)

GIUNTO GIBAULT

A BICCHIERE

Con guarnizione elastomerica

A MANICOTTO

A BICCHIERE

per incollaggio

A MANICOTTO

tubazioni in PVC

d < 630 mm Fino

a PN 16

L = 6 m

Saldati con collanti appositi

Tipo Gibault

Per collegare tubi di PVC ad altri

materiali con

anelli o ghiere di

staffaggio

A flangia

Giunto per

saldatura

Giunto meccanico

- a flangia -

tubazioni in PEad

d < 1200 mm Fino

a PN 16

L = 6 – 12 m

Giunti:

•A

•A

•A

bicchiere

manicotto

flangia

tubazioni in PRFV

d < 2000 mm

L = 6 – 12 m

GIUNTO ANTISFILAMENTO

NORME TECNICHE RELATIVE ALLE TUBAZIONI PER ACQUEDOTTO

scavo sostenuto da sbadacchi metallici

POSA IN OPERA DELLE TUBAZIONI

LA PROTEZIONE DELLE CONDOTTE METALLICHE DALLA CORROSIONE

Per corrosione di un metallo si intende la dissoluzione sotto forma di ioni causata dall’ambiente circostante detto elettrolita.

Il processo corrosivo delle tubazioni metalliche interrate o, in generale, in un

mezzo permeabile all’umidità, ha origine da una forza elettromotrice la quale

genera una corrente elettrica che, in una zona detta anodo, passa dal metallo

all’elettrolita e viceversa, in un’altra zona detta catodo.

Fenomeno corrosivo dovuto all’azione di correnti galvaniche locali

Le cause più frequenti della corrosione delle tubazioni metalliche, o comunque fornite di armatura metallica, dipendono dall’aggressività dell’elettrolita (terreno di

posa) e da correnti vaganti disperse da impianti elettrici a corrente continua.

Difesa dalla corrosione:

• Protezione passiva: rivestimento della tubazione vetro e bitume, poliestere, resine epossidiche.

Protezione attiva:

1 Anodi Sacrificali

2 Correnti impresse

con tessuto di

•

Protezione catodica con anodi sacrificali

Protezione catodica con corrente impressa